模电第05章场效应管放大电路(康华光)-1.ppt

第五章场效应管放大电路重点 1 掌握场效应管的工作原理 特性曲线 2 学会判断场效应管的工作状态 3 掌握场效应管放大电路 特别是结型场效应管JFET放大电路 的分析方法 1 2 FET分类 绝缘栅场效应管结型场效应管 增强型耗尽型 N沟道P沟道 N沟道P沟道 N沟道P沟道 场效应管简介 场效应管 FieldEffectTransistor 简称FET BJT 三极管 是一种电流控制元件 iB iC 工作时 多数载流子和少数载流子都参与运行 所以能耗大 温度特性差 FET是一种电压控制器件 vGS iD 它的输出电流决定于输入电压的大小 基本上不需要信号源提供电流 所以它能耗小 输入电阻高 且温度稳定性好 1 3 5 1金属 氧化物 半导体场效应管 MOS场效应管 绝缘栅场效应管 MetalOxideSemiconductorFET 简称MOSFET一 增强型N沟道绝缘栅场效应管1 结构 SiO2绝缘层 金属电极 P型硅衬底 高掺杂N区 耗尽层 PN结 2 符号 1 4 3 增强型N沟道MOSFET的放大原理共源极接法的接线 经实验证明 1 栅极电流ig 0由于栅极是绝缘的 GS之间输入电阻很高 最高可达1014 因此栅极电流ig 0 2 当栅源电压vGS变化 漏源电压vDS constant 0时若vGS VT 开启电压 漏极电流iD 0若vGS VT vGS越大 iD越大 互导放大作用 3 当漏源电压VDS变化 栅源电压vGS constant VT时若vDS 0 iD 0若0 vGS VT vDS越大 iD基本不变 且iD Kn vGS VT 2 1 5 4 增强型N沟道MOSFET的内部微观原理 1 当vGS变化 漏源电压vDS 常数 0时若栅源电压vGS 0 由图可见 漏极d和源极s之间是两个背靠背的PN结 总有一个PN结反向偏置 d s之间不通 iD 0 1 6 栅极g与P区之间产生电场 但d s之间仍是两个背靠背的PN结 总有一个PN结截止 即使d s间加正向电压 仍然没有电流产生 iD 0 若0 vGS VT 开启电压 若vGS VT 纵向电场足够大 将P区少子电子聚集到P区表面 形成导电沟道 vGS愈高 导电沟道愈宽 相同vDS条件下id越大 N型导电沟道 当d s间加电压后 将有漏极电流id产生 1 7 2 当vDS变化 栅源电压vGS constant VT时 若vDS 沟道产生电位梯度 靠近漏极d处的电位高 电场强度小 沟道薄 靠近源极s处的电位低 电场强度大 沟道厚 整个沟道呈楔形分布 此时 vDS iD 当vDS增加到使vDS vGS VT 时 在紧靠漏极处出现预夹断 在预夹断处 vDS vGS VT 预夹断后 vDS 夹断区延长 沟道电阻 iD基本不变 3 由于栅极G与D B S是绝缘的 栅极电流ig 0输入电阻 ri vGS ig 很高 最高可达1014 1 8 5 特性曲线 开启电压VT 有导电沟道 无导电沟道 1 转移特性曲线 iD vGS vDS constant 低频跨导 参数之一 曲线上某点的斜率 类似三极管的 表示在恒流区工作时vGS对iD的控制能力 1 9 可变电阻区 截止区 2 漏极特性曲线 iD vDS vGS constant VT 类似输出特性曲线 恒流区饱和区 vDS vGS VT预夹断轨迹 开启电压VT 增强型MOS管的固定参数注意 VT 0 1 10 6 工作区域的特点及其工作区域判断 1 截止区 vGS VT区域 判断 vGS VT特点 iD 0这时场效应管D S端相当于 一个断开的开关 1 11 2 可变电阻区 vDS vGS VT区域 判断 vDS vGS VT且vGS VT特点 rds是一个受vGS控制的可变电阻vGS越大 rds越小 当VGS足够大 如 vGS vCC 时场效应管D S端相当于 一个接通的开关 1 12 3 恒流区 饱和区 相当于BJT放大区 判断 VDS vGS VT且VGS VT特点 vDS vCC iDRDiD Kn vGS VT 2可见 若vGS恒定 则iD恒定 恒流源特点这时场效应管D S端相当于 一个受vGS控制的恒流源 1 13 2 符号 二 增强型P沟道绝缘栅场效应管1 结构 3 增强型P沟道MOSFET的放大原理分析方法与增强型N沟道相同 只不过须将所有的电压电流方向 大于小于号方向反过来 其特性曲线如P237所示 1 14 2 符号 三 耗尽型N沟道绝缘栅场效应管如果MOS管在制造时导电沟道就已形成 称为耗尽型场效应管 1 结构 SiO2绝缘层中掺有正离子 感应出N型导电沟道 1 15 经实验证明 1 栅极电流ig 0 2 当栅源电压vGS变化 漏源电压vDS constant 0时 vGS VP 夹断电压 VP 0 漏极电流iD 0vGS VP vGS越大 iD越大 互导放大作用 3 当漏源电压VDS变化 栅源电压vGS constant VP时 0 vGS VP vDS越大 iD恒定 且iD IDSS 1 vGS VP 2 3 耗尽型N沟道MOSFET的放大原理共源极接法的接线 1 16 4 耗尽型N沟道MOSFET的内部微观原理 1 当vGS变化 vDS constant 0时由于制造时已经形成了沟道 所以在vGS 0时 若漏 源之间加上一定的电压vDS 也会有漏极电流ID产生 当VGS 0时 导电沟道变宽 ID增大 当VGS 0时 使导电沟道变窄 ID减小 VGS负值愈高 沟道愈窄 ID就愈小 当VGS 夹断电压VP 达到一定负值时 N型导电沟道消失 ID 0 称为场效应管截止 2 当vDS变化 vGS constant VP时若vDS 整个沟道呈楔形分布 此时若vDS iD 当vDS增加到使vDS vGS VP 时 在紧靠D处出现预夹断 预夹断后 vDS 夹断区延长 沟道电阻 ID基本不变 1 17 1 转移特性曲线 iD vGS vDS constant 耗尽型的MOS管VGS 0时就有导电沟道 加反向电压到一定值时才能夹断 夹断电压 VP IDSS 饱和漏极电流 5 特性曲线 低频跨导 参数之一 曲线上某点的斜率 1 18 2 漏极特性曲线 iD vDS vGS constant VP 输出特性曲线 可变电阻区 截止区 恒流区饱和区 预夹断轨迹 vDS vGS VP 夹断电压VP 结型和耗尽型MOS管的固定参数注意 VP 0由于栅极G与D B S是绝缘的 栅极电流ig 0 1 19 1 截止区判断 VGS VP特点 iD 0这时场效应管D S端相当于 一个断开的开关 6 工作区域的特点及其工作区域判断 1 20 2 可变电阻区判断 VGS VP VDS vGS VP特点 rds是一个受vGS控制的可变电阻vGS越大 rds越小 当VGS足够大 如 vGS 0 vCC 时场效应管D S端相当于 一个接通的开关 1 21 3 恒流区 饱和区 放大区 判断 VGS VP VDS vGS VP特点 vDS vCC iDRDiD IDSS 1 vGS VP 2可见 若vGS恒定 则iD恒定 恒流源特点这时场效应管D S端相当于 一个受vGS控制的恒流源 1 22 四 耗尽型P沟道绝缘栅场效应管 感应出P型导电沟道 SiO2绝缘层中掺有负离子 分析方法与N沟道耗尽型相同 只不过须将所有的电压电流方向 大于小于号方向反过来 其特性曲线如P237所示 2 符号 1 结构 1 23 耗尽型 G S之间加一定电压才形成导电沟道 在制造时就具有原始导电沟道 绝缘栅场效应管总结 1 24 结型和耗尽型MOS管的参数 五 绝缘栅场效应管的主要参数1 直流参数 1 直流输入电阻RGS 栅源间的等效电阻 由于MOS管栅源间有sio2绝缘层 输入电阻可达109 1015 2 开启电压VT 增强型MOS管的参数 3 夹断电压VP 4 饱和漏电流IDSS 2 交流参数 1 输出电阻rds iD 静态时的漏极电流 沟道长度调制参数当不考虑沟道调制效应时 0 rds 定义 1 25 2 低频跨导gm 表示栅源电压对漏极电流的控制能力 类似三极管的 3 极限参数 1 最大漏极电流IDM 2 耗散功率PDM 3 最大漏源电压V BR DS 4 最大栅源电压V BR GS 增强型 根据iD Kn vGS VT 2 求出 2Kn vGS VT 耗尽型 结型 根据iD IDSS 1 vGS VP 2 求出 IDSS 1 vGS VP VP 1 26 场效应管与晶体管的比较 类型NPN和PNPN沟道和P沟道 放大参数 1 27 5 2MOSFET放大电路MOSFET放大电路也有3种接法 共源极 共漏极 共栅极 一 共源极放大电路 带源极电阻的 1 电路 2 静态分析 求vi 0时 直流电源单独作用时 VGS ID VDS直流通道 1 28 ID Kn VGS VT 2 根据上两式解出VGS IDVDS VDD VSS ID Rd R 由上面计算结果可判断出 当VDS VGS VT 时 MOSFET处在饱和区 放大区 这时 2Kn VGS VT IDR 1 29 3 动态分析 求vS单独作用时Av ri ro 1 MOSFET的小信号模型 分析动态 信号很小 中低频 分析动态 信号很小 高频 其中 rds 1 ID 几十k 几百k 1 30 2 带源极电阻共源极放大电路的小信号模型 vo 1 31 3 电压增益Av vi vgs vso 1 32 当rds 时 4 输入电阻Ri Rg1 Rg2 5 纯电压增益Avs 1 33 6 输出电阻求输出电阻的图 vso vgs 当rds 时 Ro Rd vgs vso 0 1 34 二 共漏极放大电路1 电路 2 静态分析直流通道 VGS VDD Rg2 Rg1 Rg2 IDRID Kn VGS VT 2VDS VDD IDR 2Kn VGS VT 1 35 3 动态分析 1 共漏极放大电路的小信号模型 vo 1 36 2 电压增益Avvo gmvgs rds R RL vi vgs gmvgs rds R RL 3 输入电阻Ri Rg1 Rg2 1 37 4 输出电阻求输出电阻的图 vgs v 0vgs v 求Ro图 1 38 三 耗尽型N沟道场效应管放大电路1 自给偏压式偏置电路 1 电路组成 2 静态分析 VGS RSIS RSIDID IDSS 1 VGS VP 2根据上两式解出VGS ID VDS VDD ID Rd RS 直流通路 由于静态时栅源电压VGS是由场效应管自身的电流提供的 VGS RSIS RSID 故称自给偏压 注意 增强型MOS管因VGS 0时 ID 0 故不能采用自给偏压式电路 1 39 3 动态分析 小信号电路 电压增益Avvo gmvgs rds Rd RL vi vgsAv vo vi gm rds Rd RL 输入电阻Ri RG输出电阻Ro rds Rd 1 40 已知VDD 20V RD 3k RS 1k RG 500k VP 4V IDSS 8mA 确定静态工作点 解 VGS RSID 1IDID IDSS 1 VGS VP 2 8 1 VGS 4 2 解出VGS1 2V VGS2 8V ID1 2mA ID2 8mA因VGS2 VP 故舍去 所求静态解为 VGS 2V ID 2mAVDS 20 2 3 1 12V 例1 1 41 2 分压式偏置电路 1 静态分析 VDS VDD ID Rd R 流过RG的电流为零 1 42 2 动态分析 小信号电路 电压增益Avvo gmvgs rds Rd RL vi vgsAv vo vi gm rds Rd RL 输入电阻Ri RG RG1 RG2输出电阻Ro rds RdRG是为了提高输入电阻ri而设置的 1 43 3 源极输出器 1 静态分析 VDS VDD IDR 流过RG的电流为零 直流通路 1 44 2 动态分析 小信号电路 电压增益Avvo gmvgs rds R RL vi vgs gmvgs rds R RL 输入电阻Ri RG RG1 RG2 1 45 输出电阻求输出电阻的图 vgs v 0vgs v 求Ro图 1 46 场效应管放大电路MOS管部分结束 1 47 第五章场效应管放大电路 JFET部分 重点 1 掌握场效应管的工作原理 特性曲线 2 学会判断场效应管的工作状态 3 掌握场效应管放大电路 特别是结型场效应管JFET放大电路 的分析方法 2 符号 5 3结型场效应管JFET一 N沟道结型场效应管 N沟道JFET 1 结构 两个PN结夹着一个N型沟道 1 49 3 N沟道JFET的放大原理 以共源极接法为例 N沟道JFET共源极接法的接线 经实验证明 1 VP0 非工作区域 此时ig 0 2 当栅源电压vGS变化 漏源电压vDS constant 0时 vGS VP 夹断电压 VP 0 漏极电流iD 0VP vGS VP vDS越大 iD恒定 且iD IDSS 1 vGS VP 2 1 50 4 N沟道JFET的内部微观原理 1 当栅源电压vGS变化 漏源电压vDS 0时 当vGS 0时 当vGS VP时 固定参数 沟道夹断 PN结反偏 耗尽层加厚 沟道变窄 当vGS 0时 PN结正偏 耗尽层变薄 当vGS 0时 N沟道最宽 ig 0 非工作区域 这时若vDS 0 则iD 0 同样的vDS情况iD iD 0 1 51 2 当栅源电压vGS constant VP 漏源电压vDS变化时 由于vGS VP 所以导电沟道未夹断 a 当vDS 0时 iD 0 b 当vDS iD 沟道产生电位梯度 靠近漏极d处的耗尽层加宽 沟道变窄 呈楔形分布 c 当vDS再 使vDS vGS VP时 在靠漏极处夹断 预夹断 即 预夹断前 vDS iD 预夹断后 vDS iD几乎不变 d 当vDS再 预夹断点下移 夹断区延长 沟道电阻 iD基本不变 3 由于VP vGS 0时 g与d s之间是两个反向偏置的二极管 所以栅极电流ig 0 1 52 5 N沟道结型场效应管的特性曲线 1 转移特性曲线 iD vGS vDS constant 夹断电压 VP IDSS 饱和漏极电流 IDSS VP 结型和耗尽型MOS管的固定参数注意 VP 0 正常工作电压vGS 0 栅极电流ig 0 低频跨导 参数之一 曲线上某点的斜率 1 53 2 输出特性曲线 iD vDS vGS constant 漏极特性曲线 预夹断轨迹 vDS vGS VP 可变电阻区 恒流区 截止区 1 54 6 工作区域的特点及其工作区域判断 1 截止区判断 VGS VP特点 iD 0这时场效应管D S端相当于 一个断开的开关 1 55 2 可变电阻区 线性区 判断 vGS VP vDS vGS VP特点 rds是一个受vGS控制的可变电阻vGS越大 rds越小 当VGS足够大 如 vGS 0 时场效应管D S端相当于 一个接通的开关 1 56 3 恒流区 饱和区 放大区 判断 VGS VP vDS vGS VP特点 vDS vCC iDRD 若vGS恒定 则iD恒定 恒流源特点这时场效应管D S端相当于 一个受电压控制的恒流源 1 57 二 结型P沟道场效应管1 符号 3 分析方法P沟道分析方法与N沟道耗尽型相同 只不过须将所有的电压电流方向 大于小于号方向反过来 三 JFET的参数 与耗尽型MOS管的参数相同 漏极 源极 栅极 2 结构 1 58 四 共源极JFET放大电路1 电路 2 静态分析直流通道 VGS VDD Rg2 Rg1 Rg2 IDRID IDSS 1 VGS Vp 2VDS VDD ID Rd R gm 2IDSS 1 VGS Vp Vp 1 59 3 动态分析 1 JFET的小信号模型 等效 其中 rds 1 ID但JFET的rds 几百k 很大 分析动态 信号很小 中低频 等效 分析动态 信号很小 高频 等效 1 60 2 JFET共源极放大电路的小信号模型 vo 1 61 3 电压增益Avvo gmvgs Rd RL vi vgs gmvgs R 5 输入电阻Ri Rg3 Rg1 Rg2 4 纯电压增益Avs 1 62 6 输出电阻求输出电阻的图 vso gmvgsR Ro Rd vgs vso 0 vgs gmvgsR 0 vgs 0 1 63 五 典型JFET放大电路1 自偏压电路 注意 该电路产生负的栅源电压 所以只能用于需要负栅源电压的电路 VGS IDRID IDSS